1.LED的结构

LED的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在LED两电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。

LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。LED的结构如图2-1所示。

LED的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的LED的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与白炽灯和氖灯相比，LED的特点是：工作电压低；工作电流很小；抗冲击和抗振性能好，可靠性高，寿命长；通过调制LED的电流强弱可以方便地调制LED发光的强弱。

图2-1 LED的结构图

LED的发光过程包括3部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂中，当电子经过该芯片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的能量，从而能够发出不同颜色的光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的LED，磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它们的材料和主要特性见表2-1。

表2-1 红光、绿光和黄光LED的材料和主要特性

（续）

LED的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过LED的电流。在直流电路中，限流电阻R可用下式计算：

式中，E为电源电压；V_F为LED的正向压降；I_F为LED的正向工作电流。

在交流电路中，限流电阻R可用下式估算：

式中，Ve为交流电源电压的有效值。

2.LED发光原理(www.daowen.com)

LED是由Ⅲ-V族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此，它具有一般PN结的I-V特性，即正向导通，反向截止和击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

PN结根据其端电压构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是PN结发光的原理。LED发光原理示意图如图2-2所示。

PN结对电子和空穴具有不同高度的势垒，这两个势垒均很小，但空穴的势垒比电子的势垒小得多，而且空穴不断从P区向N区扩散，得到高的注入效率。N区的电子注入P区的速率却较小。这样N区的电子就跃迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由N型半导体能量所决定的光。由于P区的能量大，光无法发到导带，因此不发生光的吸收，从而除可直接透射LED外，还减少了光能的损失。

图2-2 LED发光原理示意图

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能量E_g，E_g的单位为电子伏（eV）：

式中，v为电子运动速度；h为普朗克常数；q为载流子所带电荷；ｃ为光速；λ为发光的波长（nm）。

半导体可分为直接跃迁和间接跃迁两种，LED大都采用直接跃迁材料，这样可使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率。反之，采用间接跃迁材料，其效率就低一些。若能产生可见光（波长在380nm的紫光～780nm的红光），半导体材料的E_g应在3.26～1.63eV之间。LED的输出光谱决定其发光颜色及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。表2-2列举了常用半导体材料及其发射的光波波长参数。

表2-2 常用半导体材料及其发射的光波波长参数

LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前LED几乎无电流流过。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光强度L（单位为cd/m²，读作坎[德拉]每平方米）与正向电流I_F近似成正比

L=KI_F^m （2-5）

式中，K为比例系数。

在小电流范围内（I_F=1～10mA），m=1.3～1.5。当I_F>10mA时，m=1，式（2-5）可简化为

L=KI_F （2-6）

即LED的亮度与正向电流成正比，LED的正向电压与正向电流与管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的I_F值，既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，就会烧毁LED的PN结。